《Analytica Chimica Acta》：Advances in virus detection using carbon and quantum dot technologies: a review
编辑推荐：
本文是一篇关于病毒检测技术的专业综述。作者指出，传统检测方法如PCR和ELISA存在成本高、耗时长等局限。为应对此挑战，该文系统评述了两种极具前景的荧光纳米材料——量子点（QDs）和碳点（CDs）——在病毒诊断领域的最新应用。文章的核心在于比较分析这两种材料在基于核酸与蛋白的生物传感器中的性能差异。QD因其卓越的光学特性（如高量子产率）、可调谐的发射光谱以及与FRET（荧光共振能量转移）、ECL（电化学发光）、PEC（光电化学）等多种检测模式良好的兼容性，展现出更高的灵敏度和强大的多重检测潜力，已成功用于包括SARS-CoV-2、登革热、HBV（乙型肝炎病毒）在内的多种病毒检测，检测限可低至10?16M级别。相比之下，CD的发展阶段稍早，其优势在于更好的生物相容性、稳定性和更绿色的合成路径，目前主要应用于单靶标的荧光或电化学传感。最终，文章强调了如何根据诊断场景（如灵敏度、便携性、安全性需求）的不同，在这两种材料间做出理性选择，从而推动纳米技术从实验室研究向临床即时检验（POCT）和资源有限场景的转化。
病毒是地球上最丰富且致病性极高的生物实体之一，对人类健康构成持续威胁。病毒感染的快速、准确诊断对于有效监控疫情、实施精准治疗至关重要。然而，目前主流的实验室检测方法，如聚合酶链式反应（PCR）和酶联免疫吸附试验（ELISA），通常伴随着高成本、技术复杂性和较长的周转时间，难以满足大规模筛查或资源有限环境下的即时检测需求。面对这些挑战，科学家们将目光投向了纳米技术，特别是具有独特光学和表面性质的荧光纳米点——量子点（QDs）和碳点（CDs），它们正在成为病毒检测领域极具潜力的新工具。
3. 纳米技术在病毒检测中的应用
纳米技术通过操控1-100纳米尺度范围内的材料，赋予其新颖和增强的特性。在生物传感领域，纳米材料因其高比表面积、可调谐的物理化学性质以及易于功能化等优势而备受青睐。生物传感器通常包含三个核心部分：识别靶标分析物的生物识别元件、将生化相互作用转换为可读信号的换能器，以及负责信号输出的检测单元。纳米材料，尤其是零维（0D）的纳米粒子，能够显著提高生物传感器的灵敏度、表面体积比和信号放大能力，在众多纳米材料中，量子点和碳点等荧光纳米粒子因其优异的光学性质而脱颖而出。
4. 量子点（QDs）
量子点是半导体胶体纳米晶体，其尺寸通常在1-10纳米之间。由于其尺寸接近或小于电子-空穴对的玻尔半径，量子点表现出显著的量子限域效应。这意味着其光学性质，特别是荧光发射波长，可以通过精确控制其尺寸和化学组成来进行“调谐”。例如，尺寸较小的量子点发射波长较短（如蓝光），而尺寸较大的量子点则发射波长较长（如红光）。
此外，量子点还具有宽激发光谱、窄而对称的发射峰、高量子产率、优异的光稳定性及抗光漂白性。然而，传统的量子点（如CdSe、CdTe）含有重金属核心，其潜在的生物毒性以及在水中分散性差（疏水性）的问题，是其在生物医学应用中需要克服的主要障碍。为此，研究人员发展了一系列表面功能化策略，例如使用谷胱甘肽（GSH）、巯基丙酸（MPA）等亲水性配体进行配体交换，或使用两亲性聚合物、二氧化硅（SiO2）进行包裹，以改善其在水相环境中的溶解性、胶体稳定性和生物相容性。这些表面修饰也为后续连接抗体、核酸适配体或DNA探针等生物识别分子（即生物功能化）提供了平台。
4.4 量子点用于病毒检测
基于量子点的病毒检测策略主要利用其荧光、电化学、光电化学（PEC）或电化学发光（ECL）等性质作为信号输出。这些策略大致可分为两类：以病毒核酸（DNA或RNA）为靶标的检测，和以病毒蛋白质（抗原）或宿主抗体为靶标的免疫分析。
4.4.1 基于核酸的分析
核酸检测的核心原理是特异性核酸杂交。量子点在此类检测中常作为荧光标记或能量转移的参与者。
- •
光学信号（荧光）：这是最常用的策略。一种常见的设计是“开-关”型传感器，利用金纳米粒子（AuNPs）、石墨烯氧化物（GO）或黑洞淬灭剂（BHQ）等作为淬灭剂。在没有靶标核酸时，连接了DNA探针的量子点与淬灭剂靠近，发生荧光共振能量转移（FRET）导致量子点荧光被淬灭（“关”状态）。当存在互补的靶标核酸时，其与探针杂交，使量子点远离淬灭剂，荧光恢复（“开”状态），从而实现检测。例如，有研究利用CdSeTeS量子点和AuNPs构建了可区分四种登革热病毒血清型的多重检测系统。另一项工作则利用CdTe量子点和BHQ淬灭剂，通过FRET机制检测了SARS-CoV-2的RNA。
- •
电化学与光电化学信号：这类方法将量子点固定在电极表面，通过测量靶标结合前后电流、阻抗或光电流的变化来进行检测。例如，有研究构建了一个基于ZnO纳米棒和CdTe量子点的PEC生物传感器来检测HIV DNA，通过靶标诱导的三链DNA构象变化来调控光电流信号。
- •
集成化检测：为了向即时检测迈进，量子点也被整合到侧向流动检测条（LFA）等平台上。例如，有研究将量子点与重组酶聚合酶扩增（RPA）技术结合，开发了用于SARS-CoV-2 RNA检测的LFA，实现了核酸扩增与快速可视化读出的结合。
4.4.2 基于蛋白质的分析或免疫分析
免疫分析利用抗体-抗原的特异性结合。量子点可以作为抗体或抗原的荧光标签，或作为信号放大单元。
- •
光学信号：量子点标记的抗体可直接用于荧光免疫检测。更精巧的设计是利用能量转移原理。例如，有研究将CdSeTeS量子点与AuNPs通过肽链连接，当流感病毒与肽链结合时，改变了量子点与AuNPs之间的距离和等离子体共振效应，从而引起量子点荧光的淬灭，以此定量病毒。另一项工作则通过量子点与磁性纳米粒子的复合物，实现了对诺如病毒的高灵敏、高选择性检测，并能从复杂的粪便样本中分离出靶标。
- •
电化学与电化学发光信号：量子点在ECL传感器中常作为发光体。例如，有研究将CdTe/CdS量子点与二氧化硅光子晶体纳米膜结合，构建了用于检测发热伴血小板减少综合征病毒（SFTSV）的超灵敏ECL传感器，检测限极低。
- •
集成化检测：量子点在蛋白检测的集成化平台中应用更为广泛，尤其是在商业化LFA中作为荧光报告颗粒。多项研究开发了基于量子点微球或复合物的多重LFA，可同时检测SARS-CoV-2、甲型/乙型流感病毒、腺病毒等多种呼吸道病毒的抗原或抗体，具有高灵敏度和现场应用潜力。
根据综述对2017年至2025年间大量研究的总结（见文内Table 1），基于量子点的病毒检测方法展现出令人瞩目的性能。在核酸检测方面，针对HIV-1核酸的检测限可达6.5×10?16M；在蛋白检测方面，对乙肝表面抗原（HBsAg）、SARS-CoV-2 Spike蛋白等的检测限可达fg/mL（飞克每毫升）甚至更低水平。
5. 碳点（CDs）
（注：由于文档内容在ECL部分被截断，完整的碳点章节未提供。以下基于文档摘要和引言部分对碳点进行概括性总结。）
碳点是另一类重要的荧光纳米点，通常由碳源（如柠檬酸、葡萄糖等）通过水热法、微波法等“自下而上”的方法合成。与量子点相比，碳点通常具有更好的生物相容性、更低的理论毒性、更高的化学稳定性和更环保的合成路径。其荧光性质也受尺寸、表面态和掺杂元素的影响。然而，碳点的光学性能调谐范围通常不如量子点宽，量子产率也可能较低。
在病毒检测应用方面，文献指出碳点目前主要处于发展的早期阶段。其应用模式相对单一，主要集中在单靶标的荧光或直接电化学检测上，而在像量子点那样与FRET、PEC、ECL及LFA等多种平台深度整合方面报道较少。尽管如此，碳点因其更好的生物安全性和可持续性，在开发安全、简便、低成本的病毒检测方案方面具有独特价值。
结论
这篇综述系统比较了量子点和碳点在病毒检测中的应用。量子点凭借其卓越且可调的光学特性、高灵敏度以及与多种先进检测技术（荧光、FRET、ECL、PEC、LFA）的良好集成能力，在性能上目前处于领先地位，尤其适用于需要超高灵敏度或多重检测的复杂诊断场景。而碳点则以其优异的生物相容性、稳定性和更简单绿色的合成路线见长，为开发更安全、更经济、更适合资源有限环境的传感方案提供了有希望的替代选择。这两种材料的不同特性决定了它们各自独特的分析角色和实际应用潜力。未来的发展将集中于进一步优化这两种纳米点的性能，推动它们从实验室研究向临床和现场即时诊断平台的转化，最终为全球病毒感染的防控提供更加强大、快速和可及的诊断工具。
